Physik für das Ingenieurstudium: Prägnant mit vielen Kontrollfragen und Beispielaufgaben

431 Pages·2014·7.06 MB·German

by  Jürgen Eichler (auth.)

Jürgen Eichler
Physik für das
Ingenieurstudium
Prägnant mit vielen Kontrollfragen
und Beispielaufgaben
5. Auflage
Physik für das Ingenieurstudium
Jürgen Eichler
Physik für das
Ingenieurstudium
Prägnant mit vielen Kontrollfragen und
Beispielaufgaben
5., vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage
Mit 223 Abbildungen und 48 Tabellen
JürgenEichler
FBIIMathematik,Physik,Chemie
BeuthHochschulefürTechnikBerlin
Berlin,Deutschland
ISBN978-3-658-04625-5 ISBN978-3-658-04626-2(eBook)
DOI10.1007/978-3-658-04626-2
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Vorwort
DurchdieEinführungderBachelor-undMasterstudiengängewurdeindenletztenJahren
in vielen technischen Studiengängen der Umfang der Physikvorlesungen gestrafft und
gekürzt.DiegründlicheÜberarbeitungdiesesLehrbuchesträgtdieserEntwicklungRech-
nung.InsbesonderewurdendieÜbungsaufgabendurchzahlreichekurzeFragenergänzt.
Damit wird auf das Wesentliche und auf technische Anwendungen hingewiesen. Das
SelbststudiumsolldadurchstärkerangeregtunddieÜberprüfungdesWissenserleichtert
werden.WeiterhinwurdenaneinigenStellenBeispielederPhysikinTechnikundUmwelt
hinzugefügt. Eine weitere Neuigkeit ist das komplett neue Design des Buches, das der
Übersichtlichkeit und der Verbreitung in digitaler Form dient. Das Buch ist hauptsäch-
lich als Lehrbuch gedacht, jedoch übersteigt der Stofffülle in vielen Fällen den Umfang
derPhysikvorlesungen.Daherwurdeversucht,demBuchaucheineSystematikzugeben,
damitesalsNachschlagewerkfürdenIngenieurinderberuflichenPraxisdienenkann.
DasvorliegendeBuchzeichnetsichdurchseinekurzeprägnanteDarstellungaus,ohne
dabei wesentliche Faktoren wegzulassen.Besonderer Wert wird auf die Anwendungder
PhysikindermodernenTechnikgelegt.
DiePhysikisteinederwichtigenGrundlagenfürdieTätigkeiteinesIngenieurs.Indie-
sem Sinnewurde das Basiswissender klassischenPhysik in den Kapiteln der Mechanik,
Thermodynamik, Schwingungen und Wellen, Akustik, Elektromagnetismus und Optik an-
schaulichdargestellt. DanebendientdiePhysikvorlesungaucheinernaturwissenschaftli-
chenAllgemeinbildung,diezumVerstehenvonErscheinungenderUmweltnotwendigist.
DiesspiegeltsichindenmodernerenKapitelnderAtom-,Festkörper-undKernphysiksowie
derGravitationwieder.
DasBuchentstandausVorlesungsunterlagenderKurse„Physik“fürHörerunterschied-
licherFachrichtungenanderBeuthHochschulefürTechnik,früherTechnischeFachhoch-
schule,Berlin.
EswendetsichanStudierendeanFachhochschulenundUniversitätenindenFächern
Mechatronik, Maschinenbau, Feinwerktechnik, Mikrosystemtechnik, Elektronik, Elek-
trotechnik,Energietechnik, PhysikalischeTechnik,Mathematik,Chemie,Biotechnologie,
Verfahrenstechnik, Umwelttechnik, Informatik, Patentwesen, Wirtschaftsingenieurwe-
sen, u.a. Neben diesem Hörerkreis eignet es sich auch für Ingenieure in der Praxis als
Nachschlagewerk.
V
VI Vorwort
IchdankedemVerlagSpringerViewegunddemLektoratMaschinenbaufürdiesehr
guteZusammenarbeitbeiderRealisierungunddemDruckderneuenAuflage.Diefach-
gerechten HinweisevonmeinemLektorHerrnThomasZipsnerhabenzuwichtigen Ver-
besserungengeführt,wofürichihmherzlichdanke.
IchwidmediesesBuchEvelynundSascha.
Berlin,Frühjahr2014 JürgenEichler
Inhaltsverzeichnis
1 PhysikalischeGrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Basisgrößenund-einheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 SI-System. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.2 Naturkonstanten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 MechanikfesterKörper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1 Kinematik(LehrevonderBewegung) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.1 GeradlinigeBewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.2 DreidimensionaleBewegung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1.3 Kreisbewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2 Dynamik(LehrevondenKräften) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.1 Kraft(Newton’scheAxiome) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.2 MasseundKraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.2.3 BewegteBezugssysteme,Trägheitskraft. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2.4 Zentrifugal-undCorioliskraft. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.3 Arbeit,EnergieundLeistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.3.1 Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.3.2 Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.3.3 Leistung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.3.4 Energieerhaltung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.4 Impuls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.4.1 Impulserhaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.4.2 Schwerpunkt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.4.3 Stoßgesetze. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.5 DynamikderRotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.5.1 EnergieundTrägheitsmoment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.5.2 Drehmoment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.5.3 Drehimpuls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.5.4 Vergleich:geradlinigeBewegungundDrehbewegung . . . . . . . . . 52
2.5.5 VektorielleFormulierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.5.6 Kreisel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
VII
VIII Inhaltsverzeichnis
3 MechanikdeformierbarerMedien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.1 DeformationfesterKörper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.1.1 Dehnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.1.2 Anwendungen,Belastung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.2 StatikderFlüssigkeitenundGase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2.1 DruckundKompressibilität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2.2 DruckinFlüssigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.2.3 DruckinGasen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.2.4 Auftrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.3 DynamikderFlüssigkeitenundGase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.3.1 ReibungsfreieStrömungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.3.2 InnereReibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.3.3 Turbulenz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4 Gravitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.1 KlassischeGravitationstheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.1.1 Gravitationsgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.1.2 Planetensystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.1.3 PotenzielleEnergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.1.4 Satellitenbahnen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.2 Relativitätstheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.2.1 SpezielleRelativitätstheorie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.2.2 AllgemeineRelativitätstheorie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5 Thermodynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.1 ZustandsgleichungenvonGasen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.1.1 Temperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.1.2 ZustandsgleichungidealerGase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5.1.3 MolareGrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
5.1.4 RealeGase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.1.5 Aggregatzustände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.2 KinetischeGastheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
5.2.1 Gasdruck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
5.2.2 ThermischeEnergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.2.3 Geschwindigkeitsverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.3 HauptsätzederThermodynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.3.1 SpezifischeWärmekapazität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.3.2 ErsterHauptsatzderWärmelehre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
5.3.3 Zustandsänderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.3.4 Kreisprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
5.3.5 ZweiterHauptsatzderWärmelehre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
Inhaltsverzeichnis IX
5.4 ThermischeMaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
5.4.1 Wärmekraftmaschinen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
5.4.2 Wärmepumpe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5.5 Wärmetransport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
5.5.1 Wärmeleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
5.5.2 Konvektion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
5.5.3 Wärmestrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
6 SchwingungenundWellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
6.1 Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
6.1.1 FreieungedämpfteSchwingung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
6.1.2 FreiegedämpfteSchwingung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
6.1.3 ErzwungeneSchwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
6.1.4 ÜberlagerungvonSchwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
6.1.5 Fourier-Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
6.1.6 GekoppelteSchwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
6.2 Wellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
6.2.1 Wellengleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
6.2.2 Ausbreitungsgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
6.2.3 ÜberlagerungvonWellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
6.2.4 Doppler-Effekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
7 Akustik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
7.1 PhysiologischeAkustik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
7.1.1 Schallwellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
7.1.2 Schallempfindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
7.1.3 MusikalischeAkustik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
7.2 TechnischeAkustik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
7.2.1 Messtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
7.2.2 Ultraschall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
8 Elektromagnetismus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
8.1 ElektrischesFeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
8.1.1 ElektrischeLadung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
8.1.2 ElektrischeFeldstärke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
8.1.3 SpannungundPotenzial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
8.1.4 ElektrischeInfluenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
8.1.5 ElektrischePolarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
8.1.6 Kondensator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
8.1.7 ElektrischerFlussundFlussdichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
8.2 MagnetischesFeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
8.2.1 MagnetischeFeldstärke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
X Inhaltsverzeichnis
8.2.2 MagnetischeFlussdichteundFluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
8.2.3 KräfteimMagnetfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
8.2.4 PolarisationundMagnetisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
8.2.5 MaterieimMagnetfeld. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
8.3 ElektromagnetischeWechselfelder. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
8.3.1 VeränderlicheMagnetfelder:Induktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
8.3.2 VeränderlicheelektrischeFelder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
8.3.3 Maxwell’scheGleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
8.3.4 ElektromagnetischeWellen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
8.4 ElektrischeStröme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
8.4.1 Gleichstromkreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
8.4.2 Wechselstromkreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
8.4.3 ElektromagnetischeSchwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
8.4.4 StrömeimVakuum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
8.4.5 StrömeinGasen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
8.4.6 StrömeinFlüssigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
9 Optik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
9.1 GeometrischeOptik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
9.1.1 ReflexionundBrechung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
9.1.2 Hohlspiegel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
9.1.3 Linsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
9.1.4 Auge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
9.1.5 Fotoapparat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
9.1.6 Projektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
9.1.7 Fernrohr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
9.1.8 Mikroskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
9.2 Wellenoptik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
9.2.1 PolarisationvonLicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
9.2.2 EigenschaftenderKohärenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
9.2.3 ErscheinungenderInterferenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
9.2.4 BeugungvonLicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
9.2.5 Holografie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
9.3 Quantenoptik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
9.3.1 EmissionundAbsorptionvonLicht. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
9.3.2 PrinzipiendesLasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
9.3.3 Lasertypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
9.3.4 NichtlineareOptik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
9.4 Fotometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
9.4.1 Farbmetrik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
9.4.2 GrundbegriffederLichttechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305